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一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法

阅读：16发布：2023-01-09

专利汇可以提供一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种无步进装置的双能 X射线相衬成像系统及其实现方法，该系统沿光路依次包括双能阵列X射线源、样品、相位光栅、双能分析光栅、X射线探测器。其中：双能阵列X射线源调节管电压发出不同能量的X射线，同时把X射线变成一列列单独相干但相互之间不相干的光；相位光栅把入射光分离成不同的衍射级次，在双能分析光栅处形成周期性干涉条纹，与双能分析光栅形成莫尔条纹提取相位信息；X射线探测器记录莫尔条纹图像。本发明提供的双能X射线相衬成像系统通过调节X射线的能量，利用双能分析光栅对不同能量X射线的转化，在成像中不需要移动光栅，减少了成像的步骤，降低了对机械精度的要求。，下面是一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于，所述的成像系统沿X射线传播方向依次包括双能阵列X射线源(1)、样品(2)、相位光栅(3)、双能分析光栅(4)、X射线探测器(5)，其中：双能阵列X射线源(1)可以调节管电压发出不同能量的X射线；同时把X射线变成一列列单独相干但相互之间不相干的光；相位光栅(3)的作用是把入射光分离成不同的衍射级次，在双能分析光栅(4)处形成周期性干涉条纹，与双能分析光栅形成莫尔条纹可以提取相位信息；X射线探测器(1)获取并记录莫尔条纹图像。
2.如权利要求1所述的无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于：所述的双能X射线相衬成像系统所使用的双能阵列X射线源(1)可以调节管电压发出两种不同能量的X射线，一种X射线能量大于50Kev，一种小于50Kev。
3.如权利要求1所述的无步进装置的的双能X射线相衬成像系统：其特征在于，所述的双能分析光栅(5)通过填充两种不同的闪烁体材料转化不同能量的X射线为可见光，其中填充高能闪烁体材料Gd2O2S的栅条只能转化能量大于50Kev的X射线，填充低能闪烁体材料Y2O2S的栅条只能转化能量小于50Kev的X射线。
4.如权利要求1所述的无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于：使用的双能阵列X射线源(1)和所述的双能分析光栅(4)的周期满足条件其中P0为双能阵列X射线源(1)的周期，P1是相位光栅(3)的周期，l是双能阵列X射线源(1)与相位光栅(3)之间的距离，d为相位光栅(3)与双能分析光栅(4)之间的距离。
5.如权利要求1所述的无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于：使用的相位光栅(3)和所述的双能分析光栅(4)的周期满足条件其中P1为相位光栅(3)的周期，P2是双能分析光栅(4)的周期，l是双能阵列X射线源(1)与相位光栅(3)之间的距离，d为相位光栅(3)与双能分析光栅(4)之间的距离。
6.根据权利要求1所述的无步进装置的的双能X射线相衬成像系统，其特征在于，所述X射线探测器(5)为X射线CCD探测器。
7.一种实现无步进装置的双能X射线相衬成像的方法，应用于权利要求1至6所述的双能X射线相衬成像系统，其特征在于，该方法包括：
对准双能阵列X射线源的出光点和X射线探测器接收平面的中心点；
精确对准双能阵列X射线源、相位光栅和双能分析光栅，使得这三个装置的刻线相互平行，三个装置提供所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三个装置的中心点和X射线探测器中心点处于同一条直线；
调节双能阵列X射线源的管电压到低能VL处，采集背景图像并记录没有物体时的干涉条纹，在该管电压下放入待测样品，采集样品的的图像；
调节双能阵列X射线源的管电压到高能VH处采集背景图像并记录没有物体时的干涉条纹，在该管电压下放入待测样品，采集样品的的图像；
根据任意两步位移提取相位信息的方法提取样品的相位信息。
8.根据权利要求7所述的实现无步进装置的双能X射线相衬成像的方法，其特征在于，所述对准双能阵列X射线源的出光点和X射探测器接收平面的中心点，是利用激光器分别在水平方向和竖直方向，对准双能阵列X射线源出射点和X射线探测器活动区域的中心，使双能阵列X射线源的出光点与X射线探测器接收平面的中心点对准。
9.根据权利要求7所述的实现双能X射线相衬成像的方法，其特征在于，所述无步进装置的双能X射线相衬成像系统，其实现双能X射线相衬成像的步骤如下：
(1)利用激光器分别在水平方向和竖直方向，对准双能阵列X射线源出射点和X射线探测器活动区域的中心，使双能阵列X射线源的出光点与X射线探测器接收平面的中心点对准；
(2)当双能阵列X射线源和相位光栅之间不加样品时，调节双能阵列X射线源的管电压到低能VL处，采集背景图像，记录X射线探测器的Imax1和探测器的相对位置χ0，其采集图像结果表示为I1p＝K[1+sin cγ1sin cγ2cos α01，其中 M为整数，m0为双能阵列X射线源的周期数， γ2为双能分析光栅的占空比；
(3)放入样品曝光得到物体的探测图像结果其中
为相移值，Am为吸收强度；
(4)调节双能阵列X射线源的管电压到低能VL处，采集探测器上的背景图像，记录X射线p
探测器的Imax2，由Imax2和Imax1的比值得到和步骤(2)统一的Imax，归一化后的探测图像记为I2＝K[1-sin cγ1sin cγ2cos α0]；
(5)放入样品曝光得到物体的探测图像结果：
(6)由4幅探测的图像解出物体的吸收强度相位的一阶导数分布为

说明书全文

一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法

技术领域

[0001] 本发明专利涉及X射线成像领域，尤其是一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法。

背景技术

[0002] X射线与物质的相互作用可以用复折射率来表示，即n＝1-α+iβ，其中β为吸收因子，α为相位因子，它们分别表征了X射线透过物体之后的振幅和相位变化。传统X射线成像利用物质对X射线的吸收特性来对物体进行成像，常用于检测金属等重金属村料构成的物质。但是对于由C、H、O、N等轻元素组成的人体的关节软骨、乳腺以及聚乙烯材料等弱吸收物质，传统的X射线成像几乎无法看到它们的内部结构。X射线透过由轻元素组成的物质后，相位的变化量是吸收变化量的一千到十万倍。因此利用X射线相位变化提取物体信息的X射线相位衬度成像技术被广泛关注和研究。

[0003] 研究人员已经提出了多种X射线相位衬度成像的实现方法，如晶体干涉仪成像法、衍射增强成像法、相位传播成像法、光栅相衬成像法等。前三种方法均需要使用同步辐射源作为X射线源，成像装置庞大，成像要求条件高，所以前三种成像方法难以推广应用。而基于Talbot-Lau效应的光栅相衬成像法能利用非相干X射线进行成像，对X射线光束的相干性要求不高，可以使用普通的X射线源。因此基于光栅Talbot-Lau效应的X射线相衬成像方法具有推广到医学临床、工业和安全检查的广阔发展前景。

[0004] 但是，现在国际上通用的基于“phase-stepping”的相位信息提取方法过于复杂，必须通过步进装置移动分析光栅或是相位光栅，用来获得背景位移曲线和样品位移曲线，这就要求步进装置的移动在微米量级，增加了机械控制的难度。2008年陈博提出两步相移法，2013年刘鑫提出了任意两步位移法，尽管光栅位移的步数越来越少，但是成像系统依然需要精密步进平台，多次步进和曝光使得成像效率低，并增大了样本的受辐射量。2010年朱佩平等提出的正反投影法不需要光栅步进，该方法使相衬CT成像取得突破进展，但是在成像系统中需要将物体或者探测器精密旋转，实现也非常困难。

发明内容

[0005] 为了克服上述现有技术的不足，本发明专利提供了一种无步进装置的双能X射线相衬成像系统及其实现方法，以用来构建一套灵活的双能X射线相衬成像系统，其中所选取的双能阵列X射线源的能量可以根据实际情况随意调节，并且成像装置不包含步进装置。

[0006] 本发明专利提供的系统光路依次包括双能阵列X射线源(1)、样品(2)、相位光栅(3)、双能分析光栅(4)、X射线探测器(5)，其中：双能阵列X射线源(1)可以调节管电压发出不同能量的X射线；同时把X射线变成一列列单独相干但相互之间不相干的光；相位光栅(3)的作用是把入射光分离成不同的衍射级次，在双能分析光栅(4)处形成周期性干涉条纹，与双能分析光栅形成莫尔条纹可以提取相位信息；X射线探测器(5)获取并记录莫尔条纹图像。

[0007] 本发明专利还提供了实现无步进装置的双能X射线相衬成像的方法，该方法包括：

[0008] 对准双能阵列X射线源的出光点和X射线探测器接收平面的中心点；

[0009] 精确对准双能阵列X射线源、相位光栅和双能分析光栅，使得这三个装置的刻线相互平行，三个装置提供所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三个装置的中心点和X射线探测器中心点处于同一条直线；

[0010] 调节双能阵列X射线源的管电压到低能VL处，采集背景图像并记录没有物体时的干涉条纹，在该管电压下放入待测样品，采集样品的的图像。

[0011] 调节双能阵列X射线源的管电压到高能VH处采集背景图像并记录没有物体时的干涉条纹，在该管电压下放入待测样品，采集样品的的图像。附图说明

[0012] 图1为本发明专利的无步进装置的双能X射线相衬成像系统光路示意图；

[0013] 图2为本发明专利的实现无步进装置的双能X射线相衬成像的方法流程图；

[0014] 图3为本发明专利的无步进装置的双能X射线相衬成像系统在20Kev管电压和60Kev管电压下，利用任意两步位移法提取的相位信息示意图；

具体实施方式

[0015] 下面结合附图对本发明专利做进一步详细描述，请参阅图1至图3。

[0016] 本发明专利的技术思路是：利用双能X射线源和双能分析光栅来构建无步进装置的双能X射线相衬成像系统，调整双能阵列X射线源的管电压控制X射线的能量，通过双能分析光栅填充的不同闪烁体材料对高低能X射线的转化使莫尔条纹发生移动，从而实现无步进的相衬成像。

[0017] 本发明专利的无步进装置的双能X射线相衬成像系统如图1所示，本发明专利提供的光路依次包括双能阵列X射线源(1)、样品(2)、相位光栅(3)、双能分析光栅(4)、X射线探测器(5)，其中：双能阵列X射线源(1)可以调节管电压发出不同能量的X射线，同时把X射线变成一列列单独相干但相互之间不相干的光；相位光栅(3)把入射光分离成不同的衍射级次，在双能分析光栅(4)处形成周期性干涉条纹，与双能分析光栅形成莫尔条纹可以提取相位信息；X射线探测器(5)获取并记录莫尔条纹图像。

[0018] 其中，所述的双能阵列X射线源(1)和所述的双能分析光栅(4)的周期满足条件其中P0为双能阵列X射线源1的周期，P2是双能分析光栅(4)的周期，l是双能阵列X射线源(1)与相位光栅(3)之间的距离，d为相位光栅(3)与双能分析光栅(4)之间的距离，这个条件可以使所述双能阵列X射线源(1)在每个小焦点光源下产生的投影像互相错开完整的周期并叠加在一起，从而使得条纹对比度得到增强。

[0019] 同时为了不受Talbot部分相干X射线的要求和限制，并使所述相位光栅(3)投影的周期和所述双能分析光栅(4)周期相等，所述相位光栅(3)与所述双能分析光栅(4)的周期满足其中P1为相位光栅(3)的周期，P2是双能分析光栅(4)的周期，l是双能阵列X射线源(1)与相位光栅(3)之间的距离，d为相位光栅(3)与双能分析光栅(4)之间的距离。

[0020] 基于图1所示的无步进装置的双能X射线相衬成像系统光路示意图，图2显示了本发明专利提供的实现双能X射线相衬成像的方法流程图，该方法包括以下步骤：

[0021] 步骤1：对准双能阵列X射线源的出光点和X射探测器接收平面的中心点；

[0022] 步骤2：精确对准双能阵列X射线源、相位光栅和双能分析光栅，使得这三个装置的刻线相互平行，三个装置提供所在的平面和X射线探测器的平面相互平行，同时使三个装置的中心点和X射线探测器中心点处于同一条直线；

[0023] 步骤3：调节双能阵列X射线源的管电压到低能VL处，采集背景图像并记录探测器的相对位置χ0和Imax1；

[0024] 步骤4：保持双能阵列X射线源的管电压在该管电压下放入待测样品，采集样品的的图像；

[0025] 步骤5：调节双能阵列X射线源的的管电压到高能VH处，采集背景图像并记录Imax2；

[0026] 步骤6：保持的管电压到高能VH处，在该管电压下放入待测样品，采集样品的的图像；

[0027] 步骤7：由上述步骤采集到的4幅图像，解出物体的吸收强度和相位的一阶导数分布。

[0028] 在本实施例中，双能阵列X射线源管电压可调范围为10-120KV。双能阵列X射线源的周期为42μm，倾斜角度为6°，占空比为1∶1。相位光栅周期为5.6μm，占空比为1∶1，双能阵列X射线源和相位光栅的距离为1.47m。双能分析光栅周期为3μm，占空比为1∶1。双能分析光栅和相位光栅的距离为10.5cm。X射线探测器采用X射线CCD探测器，紧贴着双能分析光栅放置，X射线探测器的分辨率为2048*2048，像素尺寸为27μm×27μm。

[0029] 基于该无步进装置的双能X射线相衬成像，其实现双能X射线相衬成像的步骤如下：

[0030] (1)利用激光器分别在水平方向和竖直方向，对准双能阵列X射线源出射点和X射线探测器活动区域的中心，使双能阵列X射线源的出光点与X射线探测器接收平面的中心点对准。

[0031] (2)当双能阵列X射线源和相位光栅之间不加样品时，调节双能阵列X射线源的管电压到低能VL处，采集背景图像，记录X射线探测器的Imax1和探测器的相对位置χ0，其采集图像结果表示为I1p＝K[1+sin cγ1sin cγ2cos α0]，其中 M为整数，m0为双能阵列X射线源的周期数，其中 γ2为双能分析光栅的占空比。

[0032] (3)放入样品曝光得到物体的探测图像结果

[0033] (4)调节双能阵列X射线源的管电压到低能VL处，采集探测器上的背景图像，记录X射线探测器的Imax2。由Imax2和Imax1的比值得到和步骤(2)统一的Imax，归一化后的探测图像记为I2p＝K[1-sin cγ1sin cγ2cos α0]。

[0034] (5)放入样品曝光得到物体的探测图像结果：

[0035] (6)由4幅探测的图像解出物体的吸收强度相位的一阶导数分布为

[0036] 基于图1所示的无步进装置的双能X射线相衬成像的光路示意图和图2本发明专利提供的实现双能X射线相衬成像的方法流程图，图3是依照本发明实施例的采用直径为2mm的PMMA小球的双能X射线相衬成像实验结果的示意图。

[0037] 本发明专利的有益效果：

[0038] (1)该无步进装置的双能X射线相衬成像系统不需要相位步进装置，在成像过程中不需要移动任何光栅，大大降低了对机械精度的要求。

[0039] (2)该无步进装置的双能X射线相衬成像成像过程中只需要采集4幅图像，计算简单，成像时间短，减少了对样本的辐射，提高了成像效率。

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